Лауреатом премии 2011 года по химии стал Даниэль Шехтман, профессор Израильского института технологий в Хайфе, за открытие квазикристаллов (об этом мы уже писали вкратце). Это открытие стало новой парадигмой в химии, заменив традиционные представления о кристаллах.

Даниэлю Шехтману 70 лет, он родился в 1941 году в Тель-Авиве. Сейчас он профессор наук о материалах в Израильском институте технологий в Хайфе, а также профессор Университета штата Айова.

Изучение квазикристаллов – истинно междисциплинарная наука будущего, соединяющая в себе химию, физику, математику и науки о материалах. Сейчас работают в этой области много людей, но заложил ее основу один человек – сегодняшний лауреат.

Рис. 1. Дифракционная картина квазикристалла // Wikipedia.

В 1984 году он получил дифракционную картину сплава алюминия и марганца, который был быстро охлажден после расплавления. Судя по ней, материал полностью упорядочен. Об этом говорит наличие четких ярких точек – отражений или рефлексов. Если материал был не кристаллическим, а аморфным (как стекло), то вместо четких точек мы бы видели размытый «бублик» – гало. Однако на картинке мы видим многочисленные пятиугольники. Так как дифракционная картина повторяет симметрию кристалла, в нем должна присутствовать ось симметрии десятого порядка.

Это полностью противоречило всем тогдашним представлениям кристаллографии – науке о кристаллах.

Статья Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry, посвященная этому открытию, была опубликована в журнале Phys. Rev. Lett. в том же 1984 году.

Рис. 2. Логотип нобелевской премии по химии содержит в себе пример некристаллографической симметрии, реализующейся в квазикристаллах. Это фрагмент одной из «мозаик Пенроуза» (см. ниже) // nobelprize.org.

«Открытие профессора Шехтмана открыло ученым новые горизонты в области строения вещества и произвело революцию в изучении строения кристаллов, наших взглядах на возможное расположение атомов и молекул в них. Можно сказать, что это стало новой парадигмой в химии. Традиционно ученые были уверены, что атомы в кристаллах располагаются в периодическом порядке, однако это не всегда так. Профессор Шехтман с помощью микроскопических исследований показал, что трансляционная симметрия не всегда соблюдается. Его работы подвергались большой критике, но благодаря высокому качеству экспериментов и полученных данных все вопросы были исчерпаны.

Таким образом, традиционные представления о кристаллах были изменены.

Сейчас десятки групп по всему миру изучают уникальные свойства квазикристаллов, интересные как для фундаментальной, так и для прикладной науки», – заключил представитель Нобелевского комитета после объявления фамилии победителя.

Что же необычного в этой симметрии? Чтобы разобраться в том, какие оси симметрии являются кристаллографическими, а какие – нет, достаточно взять в руки детскую мозаику или вспомнить тротуарную плитку. Легко удается замостить плоскость (то есть покрыть ее – без щелей и наложений) одинаковыми треугольниками, квадратами и шестиугольниками – вот и все.

Мостить улицу пятиугольниками, семиугольниками и восьмиугольниками не получится – они будут «налезать» друг на друга.

То же самое и с кристаллами: кристалл, по определению, упорядоченная структура, состоящая (в теории) из бесконечно повторяющегося фрагмента (только здесь идет речь не о плоскости, а о трехмерном пространстве). Таковы классические представления об элементах симметрии.

До работы Даниэля Шехтмана считалось, что упорядоченные кристаллические структуры обязательно периодичны, поэтому и накладывались ограничения на допустимые оси симметрии.

Квазикристаллы, открытые Шехтманом, упорядочены, но не периодичны, то есть у них отсутствует трансляционная симметрия, их структуру нельзя получить бесконечным добавлением друг к другу «одинаковых кубиков».

Теория квазикристаллов, как ни странно, была разработана задолго до их открытия.

«Квазикристаллические» орнаменты известны в средневековых мечетях Ирана. Европейские математики придумали такое мощение на полтысячелетия позже – в 1976 году Роджер Пенроуз предложил «квазикристаллическое» мощение, получившее название «мозаики Пенроуза».

Рис. 3. Мозаика Пенроуза//Wikipedia.

Здесь «плитки» образуют упорядоченную непериодическую структуру с помощью вращения (и снова можно заметить наличие некристаллографической оси симметрии пятого порядка – пятиугольники и «звездочки» снова образуют пятиугольники.

Заслуга Шехтмана в том, что он перевел эти модели в мир реальных объектов. С тех пор уже найдены и изучены сотни квазикристаллов – не только металлических сплавов, но и некоторых полимеров.

В 2009 году ученые обнаружили первый природный квазикристалл в минералах с Дальнего Востока России. Во фрагментах пород, собранных на Корякском нагорье, естественные квазикристаллы достигали размеров до 200 микрон. Они состоят из атомов железа, меди и алюминия и имеют сложную структуру, с несколькими (до шести штук) осями пятого порядка. Квазикристаллы были обнаружены в редком минерале хатыркит, который до сих пор встречался ученым лишь в одном месте – в триасовых вулканических породах из района Лиственитового ручья на российском Корякском нагорье, которое спускается к побережью Берингова моря между Камчаткой и Анадырским заливом.

Несмотря на интереснейшие свойства квазикристаллов, их практическое применение, скорее, задача будущих исследований. Сегодня предполагаются три основные области их применения – создание покрытий (уже зарегистрировано два патента, на рынке присутствуют сковороды с таким покрытием французской фирмы Sitram), добавки квазикристаллических наночастиц в сплавы, а также хранение водорода.

В прошлом году лауреатами стали Ричард Хек, Эйити Нагиси и Акира Судзуки. Нобелевский комитет отметил их вклад в разработку новых каталитических реакций, которые широко используются в промышленном производстве, в том числе для изготовления фармацевтических препаратов и в электронной промышленности. Речь идет о так называемых реакциях кросс-сочетания, катализируемого производными палладия.

Авторитетное агентство Thomson Reuters прочило премию Аллену Барду (Университет Техаса, США) за развитие приложений сканирующей электрохимической микроскопии. Его конкурентами были Жан Фреше (Калифорнийский университет в Беркли, США), Дональд Томалиа (Мичиганский университет, США) и Фритц Фёгтле (Университет Бонна, Германия) – создатели дендритных (сверхразветвленных) полимеров, которые нашли широкое применение в современных областях полимерного материаловедения, техники, медицины, биологии, микроэлектроники и т. п. Звонка от Нобелевского комитета в среду мог ожидать и Мартин Карплус (Гарвардский университет, США) за пионерские работы по моделированию молекулярной динамики биомолекул.

Несмотря на то, что химия традиционно считается «русской» наукой, – вспомним хотя бы основоположников современной неорганической и органической химии Дмитрия Ивановича Менделеева и Александра Михайловича Бутлерова – Нобелевскую премию в этой области отечественные ученые получили всего один раз.

В 1956 году Николай Николаевич Семёнов (1896–1986) был награжден «За исследования механизма химических реакций». Премия была присуждена ему совместно с британцем Сирилом Норманом Хиншельвудом.